电子测量原理实验指导书


     电子测量原理 实验指导书 XX大学自动化学院 目 录 电子测量实验系统组成原理及操作………………………… 1 电子计数器原理及应用……………………………………… 10 示波器原理及应用…………………………………………… 16 R、L、C参数测量 …………………………………………… 24 逻辑分析仪原理及应用……………………………………… 31 交流电压测量 …………………………………………………40 电子测量实验系统组成原理及操作 一、实验目的 1.了解SJ-8002B电子测量实验系统的原理和组成。 2.学习操作本实验系统并完成一些简单实验。 二、实验内容 1.操作本系统的实验箱内部DDS信号源,产生出多种信号波形,并用外接示波器观察。 2.使用本实验箱内部数字示波器,去观察外部信号源的信号波形。 3.使用本实验箱内部数字示波器,观察内部DDS信号源产生的信号波形。 三、实验器材 1.SJ-8002B电子测量实验箱 1台 2.双踪示波器(20MHz模拟或数字示波器) 1台 3.函数信号发生器(1Hz~1MHz) 1台 4.计算机(具有运行windows2000和图形化控件的能力) 1台 四、实验原理 SJ-8002B电子测量实验系统由三大部分组成:a电子测量实验箱;b系列化的实验板;c微型计算机(含配套的实验软件),如图1-1所示。此外,实验中根据需要可以再配备一些辅助仪器,如通用示波器、信号源等。 图1-1 电子测量实验系统的基本组成 电子测量实验系统的外貌图如图1-2所示。 图1-2 电子测量实验系统 电子测量实验箱主板如图1-3所示。 图1-3 电子测量实验箱主板 主板上的短路块说明: 短路块名 短路位置 连接说明 使用场合 S101 左边 7109直流电压差分输入端DC-不接地 温度实验时使用 右边 109直流电压差分输入端DC-接地 通常情况下应用 S102 左边 采集两个通道输入Ain1和Ain2不连接 通常情况下应用 右边 采集两个通道输入Ain1和Ain2短接 快速检查实验板时使用 S602 置于“no” 信号源1输出不加滤波 一般情况 置于“filter” 信号源1输出加滤波 需加滤波 S702 置于“no” 信号源2输出不加滤波 一般情况 置于“filter” 信号源2输出加滤波 需加滤波 1.电子测量实验箱 实验箱由五个基本功能模块组成,即信号源模块、高速数据采集模块、测频模块、数电子测量字I/O模块、以及直流电压测量模块构成。这里先介绍两个模块,其他模块在相应实验中介绍。 (1)信号源模块 它是一个采用直接数字合成(DDS)的任意波形发生器,由平台软件直接提供了十六种函数的波形数据,可产生正弦波、方波、三角波等16种波形。也可以由用户自己提供波形的数据,产生用户所需的任意波形。信号源的频率和幅度均可由用户编程控制。DDS信号源的组成原理如图1-4所示。 图1-4 DDS信号源的组成结构 由图1-4可见:DDS信号源由相位累加器、RAM波形存储器、DAC数模转换器以及低通滤波器组成。其工作原理是:相位累加器在时钟信号驱动下对频率控制码进行累加,输出累加值即相位序列码作为RAM的地址。从RAM里面取出预先存放的一个周期输出波形的幅值编码,然后再经DAC转换得到模拟的阶梯电压,最后经过低通滤波器使其平滑后即得到所需要的信号波形。 DDS信号源有如下优点:(1) 信号频率稳定,分辨率高,输出频点多(可达到2N-1个频点,N为相位累加器的位数);(2)频率切换速度快,可达us级;(3)频率切换时相位连续;(4)可以产生任意波形信号,其主要性能指标为: 分辨力: 输出频率小于1MHz时分辨力为1Hz ; 输出频率范围:正弦波:1Hz ~ 2MHz ,其它波形:1Hz ~ 200KHz; 输出信号幅度范围:0.1V ~ 16V峰–峰值; 幅度分辨率:1%; 通道数:2(2个独立的DDS信号源)。 (2)采集模块(数字示波器) 采集模块有CH1和CH2两个采集数据输入通道。通道增益、采样速率、采样点数、触发源等也可通过编程控制。图1-5所示为实验平台中数据采集模块的原理框图。该采集模块既可以实现示波器的功能也可以实现交流电压表等的功能。为了扩展输入的电压范围,通道中包含有前级衰减电路前级仪用放大电路中间衰减器和后级放大电路,最后由A/D转换电路,变换成数字量并且存储在RAM中,当采集完成以后计算机通过EPP口把数据取回,并对其进行数据处理。 数据采集采用了8位的A/D转换器,模拟输入电压范围(峰峰值):-50V到+50V; 采样速率20M、10M、5M、2.5M、1M、500K、250K、100K、50K、25K、12.5KSPS; 可程控增益×20、×10、×5、×2、×1、×0.5、×0.2、×0.1、×0.05、×0.02; 数据缓存深度:30KB。 图1-5 数据采集部分一个通道的原理框图 2.系列化实验板 包括R、L、C电路实验板、滤波器电路实验板、温度检测实验板、CPLD实验板、键盘点阵实验板、电路自装实验板(白板)等,如图1-6所示。 图1-6 系列化实验板 实验平台上安装有一62芯的双排插座,系列化实验板插入此插座,实现实验板和平台之间的信号线的可靠连接,从而可进行不同的实验。 实验时,实验电路板插入62芯插座接入测试平台,实验平台内的信号源模块通过插槽上的AO(模拟输出AO1和AO2)插脚给实验板提供激励信号;测试平台内的采集模块通过插座上的AI(模拟输入AI1和AI2)插脚实时的采集并存储实验板的输出响应信号。当采集完预置的点数后,微机通过EPP接口读取采集数据,再经分析和处理后,将实验结果显示在屏幕上。 五、实验步骤 1.实验准备 (1)按照图1-7所示的方法连线,S602接“no”端。 (2)先打开实验箱电源,电源指示灯“亮”。然后在PC机上运行主界面程序,如图1-8所示,再从主界面进入“电子测量实验室”,其界面如图1-9所示,最后选择实验一,软件则自动打开了信号源和示波器的界面。 图1-7 实验连接框图 图1-8 主程序界面 图1-9 电子测量实验室界面 2.信号源的操作 (1)虚拟信号源的面板如图1-10所示: 图1-10 信号源面板 (2)设置DDS信号源1的输出Aout1的幅度、频率,默认设置为幅度2.0V,频率4.885KHz。点选16种波形的任意几种,用外接示波器观察,并记录波形于表1-1中。 表1-1 ______波 ______波 ______波 ______波 ______波 ______波 ______波 ______波 3.示波器功能操作 (1)虚拟数字存储示波器的面板如图1-11所示: 图1-11数字存储示波器 (2)设置信号源使它产生一个幅度(峰–峰值)为5V,频率为5kHz的正弦波信号,点击数字存储示波器界面上的“开始”,选择合适的“秒/格”和“伏/格”,其它选用默认值(耦合选“直流”,触发源选“时钟CLK1”,测量方式选“循环”),观察波形并记录于表1-2。把波形改为三角波、方波,用虚拟示波器观测幅度和频率,并与信号源相应的输出值进行比较。 表1-2 波形 峰值 频率 正弦波 三角波 方波 (3)用Q9线将Aout1和Ain1连接起来,在信号源面板上设置Aout1的幅度为3V、频率为5KHz,产生一个正弦波,用虚拟示波器观测幅度和频率。 六、思考和练习题 1.虚拟仪器和传统仪器的组成和操作使用有什么不同? 注意:1) 实验前不通电,先接线和插卡。 2)在运行软件前要先打开实验箱的电源。 3)示波器和信号源的软件界面可同时运行,但是信号源在修改设置参数时,请先停止示波器的测量。 4)以上注意事项适合于本实验课程的其他实验。 电子计数器原理及应用 一、实验目的 1. 了解频率测量的基本原理。 2. 了解电子计数器测频/测周的基本功能。 3. 熟悉电子计数器的使用方法。 二、实验内容 1. 频率测量,并了解测频方式下:闸门时间与测量分辨率关系。 2. 周期测量,并了解测周方式下:时标、周期倍增与测量分辨率关系。 三、实验器材 1.SJ-8002B电子测量实验箱 1台 2.双踪示波器(20MHz模拟或数字示波器) 1台 3.函数信号发生器(1Hz~1MHz) 1台 4.计算机(具有运行windows2000和图形化控件的能力) 1台 四、实验原理 1.测频原理 所谓“频率”,就是周期性信号在单位时间变化的次数。电子计数器是严格按照f=N/T的定义进行测频,其对应的测频原理方框图和工作时间波形如图2-1 所示。从图中可以看出测量过程:输入待测信号经过脉冲形成电路形成计数的窄脉冲,时基信号发生器产生计数闸门信号,待测信号通过闸门进入计数器计数,即可得到其频率。若闸门开启时间为T、待测信号频率为fx,在闸门时间T内计数器计数值为N,则待测频率为 fx = N/T (2-1) 若假设闸门时间为1s,计数器的值为1000,则待测信号频率应为1000Hz或1.000kHz,此时,测频分辨力为1Hz。 图2-1 测频原理框图和时间波形 2.测周原理 由于周期和频率互为倒数,因此在测频的原理中对换一下待测信号和时基信号的输入通道就能完成周期的测量。其原理如图2-2所示。 时基 信号发生器 分频电路 脉冲 形成电路 闸门 电子计数器 门控电路 脉冲 形成电路 周期倍乘MMMMMMMMMM To Tx 图2-2 测周原理图 待测信号Tx通过脉冲形成电路取出一个周期方波信号加到门控电路,若时基信号(亦称为时标信号)周期为To,电子计数器读数为N,则待测信号周期的表达式为    (2-2) 例如:fx = 50Hz,则主门打开1/50Hz(= 20ms)。若选择时基频率为fo = 10MHz,时基To=0.1us,周期倍乘选1,则计数器计得的脉冲个数为 = 200000 个,如以ms为单位,则计数器可读得20.0000(ms) ,此时,测周分辨力为0.1us。 3.中界频率 当直接测频和直接测周的量化误差相等时,就确定了一个测频和测周的频率分界点,这个分界点的频率值称为中界频率。由测频和测周的误差表达式并结合图2-3可以看出:测频时的量化误差和测周时的量化误差相等时,即可确定中界频率为 (2-3) 故      (2-4) 式中,为测频时选用的频标信号频率,即 闸门时间的倒数;为测周频时选用的时标信号频率,;当时,应使用测频的方法;当时,则应使用测周频的方法。对于一台电子计数器特定的应用状态,可以在同一坐标图上同时作出直接测频和直接测周的误差曲线(图2-3),两曲线的交点即中界频率点。 4.电子计数器测频/测周的自动功能 电子计数器的自动测频/测周功能主要取决于中界频率。假定选择闸门时间为1s和测周/频时标信号频率为10MHz,则中界频率为MHz(=3162Hz)。因此在选用电子计数器自动测量时,先指定用测频的方式预测一下输入信号的频率,再与中界频率比较之后自动确定电子计数器测频/测周方式。 图2-3 测频和测周时的误差曲线 5.测量时间和计数值 (1)测频模式 测量时间=闸门时间T 计数值N= fx*T 闸门时间短,测量低频信号,N可能很小,甚至为0,这种情况应避免。 由于我们使用24位计数器,计数值N<224(16777216),否则溢出(OVER)。 (2)测周模式 测量时间= 计数值 测量时间与被测信号的周期和周期被乘系数成正比,若选择大的周期倍乘系数,测量低频信号时,测量时间将很长。 低频信号选用大的周期被乘系数和高的时标时,计数值会很大,产生溢出。 五、实验步骤 1. 按如图2-4所示,连接实验系统。 图2-4 实验平台及实验器材连接图 说明:被测输入信号有两种接法,一种是如图2-3所示的①,由外接信号发生器连接实验箱测频输入fx的BNC插座;一种是如图2-3所示的②,由实验箱上的信号源Aout1(或Aout2)连接实验箱测频输入fx的BNC接头,并用示波器监测输入信号的幅度和频率大小。然后按照电子计数器测频/测周实验运行电子计数器程序进行测量。 2.电子计数器的面板如图2-5所示。 图2-5 虚拟电子计数器面板 使用说明: (1)当选择测频/测周按钮置“测频”时,可选“闸门时间”分别为:1ms,10ms,100ms,1s,10s,时标选择旋钮不使能; (2) 当选择测频/测周按钮置“测周”时,可选“周期倍乘”分别为:×1,×10,×100,×1000,×10000。时标选择旋钮可选10MHz,1MHz,100KHz,10KHz,1KHz。 (3)当选择“自动”按钮时,测频/测周按钮、时标选择旋钮和测频/测周按钮不使能,将自动根据被测信号与中界频率的大小关系来确定采用测频或测周方式,并显示相关内容。 注意:在“测周”模式下,若选择大的周期倍乘系数,测量低频信号时,测量时间将很长。 3.电子计数器测频/测周实验 (1) 利用函数信号发生器产生不同频率的信号,波形可分别为方波、正弦波、三角波,幅度为1V~5V,由虚拟电子计数器对其进行“测频”,选择不同的闸门时间,对测量结果进行比较和分析。记录测量的频率值,并填入表2-1: 表2-1   信号频率 闸门时间 25Hz 250Hz 2kHz 20kHz 200kHz 2MHz 1ms 不做 不做 10ms 不做 100ms 1s 10s 提问:本实验中测频模式,闸门时间选用10S时,测量2M信号为什么会溢出? (2) 利用实验箱上的信号源产生不同频率的信号,波形可分别为方波、正弦波、三角波,幅度为1V~5V,由虚拟电子计数器对其进行“测频”,选择不同的闸门时间,对测量结果进行比较和分析。记录测量的频率值,并填入表2-2: 表2-2 信号频率 闸门时间 25Hz 250Hz 2kHz 20kHz 200kHz 2MHz 1ms 不做 不做 10ms 不做 0.1s 1s 10s (3) 利用函数信号发生器产生不同频率的信号,由虚拟电子计数器对其进行“测周”,时标选择为10MHz,幅度为2V,改变不同的周期倍乘,对测量结果进行比较和分析。记录测量的周期值,并填入表2-3: 表2-3   信号周期 周期倍乘 0.2s (5Hz) 20ms (50Hz) 2ms (500Hz) 0.2ms (5kHz) 20us (50kHz) 2us (0.5MHz) 1 10 100 不做 1000 不做 不做 10000 不做 不做 不做 提问:本实验中测周模式,周期被乘选用10时,测量5Hz信号为什么会溢出? (4) 利用实验箱上的信号源产生不同频率的信号,由虚拟电子计数器对其进行“测周”,时标选择为10MHz,幅度为2V,改变不同的周期倍乘,对测量结果进行比较和分析。记录测量的周期值,并填入表2-4: 表2-4 信号周期 周期倍乘    0.2s (5Hz) 20ms (50Hz) 2ms (500Hz) 0.2ms (5kHz) 20us (50kHz) 2us (0.5MHz) 1 10 100 不做 1000 不做 不做 10000 不做 不做 不做 (5)利用函数信号发生器产生一个频率为60Hz,幅度为3V左右的方波信号,由虚拟电子计数器对其进行“测周”,选择不同的时标频率,对测量结果进行比较和分析。记录测量的周期值和频率值,并填入表2-5: 时标选择 10MHz 1MHz 100KHz 10KHz 1KHz 频率 周期 (6)利用函数信号发生器产生不同频率的信号,幅度为2V,由虚拟电子计数器对其进行测量,选择“自动方式”,观察仪器自动选择的“测频或测周”模式,记录测量的频率值和周期值,对测量结果进行比较和分析,并填入表2-6: 表2-6 信号频率 20Hz 200Hz 3kHz 4kHz 50kHz 1.5MHz 测频/测周模式 实测频率 实测周期 六、思考和练习 1、分析以上测量数据,在电子计数器测频过程中,闸门时间对测量分辨力有何影响? 2、时标选择对电子计数器测周分辨力有何影响? 示波器原理及应用 一、实验目的 1.了解数字示波器测量的基本原理。 2.熟悉虚拟数字存储示波器的操作,观察几种典型信号的波形并进行参数测量。 二、实验内容 1.测量周期信号的幅值、频率。 2.测量信号的时域参数。 3、信号的测量、存储、回放。 4、观察李沙育图形。 三、实验器材 1.SJ-8002B电子测量实验箱 1台 2.双踪示波器(60MHz模拟或数字示波器) 1台 3.函数信号发生器(0. 1Hz~10MHz) 1台 4.计算机(具有运行windows2000和图形化控件的能力) 1台 四、实验原理 1.数字示波器原理 数字存储示波器是用 A/D 变换器把模拟信号转换成数字信号,然后把数据存储在半导体存储器 RAM 中。当有需要时,将 RAM 中存储的内容调出,通过 LCD 用点阵或连线的方式再现波形,其原理框图可以参考图6-1。在这种示波器中信号采集和信号显示功能是分开的,它的功能和性能主要取决于进行信号采集与处理的A/D、RAM 和微处理器的性能。由于采用 RAM 存储器,可以快写数慢读数,或者慢写数快读数,这样即使得即使在观察缓慢信号或者观测高速信号时显示带宽限制时也不会有闪烁现象。 2.虚拟数字存储示波器组成 图6-1 虚拟数字存储示波器 虚拟示波器将计算机和测量功能融合于一体,用计算机软件代替传统仪器的某些硬件的功能,用计算机的显示器代替传统仪器物理面板。通过相关的软件可以设计出的操作方便、形象逼真的仪器面板,不仅可以实现传统示波器的功能,而且具有存储、再现、分析、处理波形等特点,还可以进行各种信号的处理、加工和分析,完成各种规模的测量任务。而且仪器的体积小、耗电少,方便携带,可以在不同的计算机上使用。 在SJ-8002B中,采用了虚拟数字存储示波器的原理来实现数据的采集。其中的信号调理、AD转换、存储数据的SRAM以及控制逻辑都在是实验平台中,计算机主要起到了数据的处理和显示的作用。 3.SJ-8002B电子测量实验箱示波器硬件结构 (1)测量范围及指标 测量电压幅度范围:-20V~+20V(峰峰值) 测量频率范围:1Hz~1MHz 采样时钟:20MHz~12.5KHz 数据缓存深度:64KB 显示波形的峰值、平均值、有效值和频率、周期等参数。 通道数: 2 垂直偏转因素(V/div) Div序号 div 3 4 5 6 7 8 9 垂直偏转因素(V/div) 50mv/div 0.1v/div 0.2v/div 0.5v/div 1v/ div 2v/ div 5v/ div 量程(V) 0.5 1 2 5 10 20 50 通道总增益 2 1 0.5 0.2 0.1 0.05 0.02 水平时基因素(秒/格) 序号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 秒/格 0.1u 0.2u 0.5u 1u 2u 5u 10u 20u 50u 100u 采样频率Hz 20M 20M 20M 20M 20M 20M 20M 20M 20M 20M 序号 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 秒/格 200u 500u 1m 2m 5m 10m 20m 50m 0.1S 0.2S 采样频率Hz 10M 5M 2.5M 1M 500K 250K 100K 50K 25K 12.5K (2)硬件原理图 图6-2 SJ8002B示波器硬件原理图 图6-2为示波器模块的原理框图。由图可见,高速采集的双通道是完全独立的,可以实现虚拟双踪数字存储示波器的各种功能,完成多种不同的测试任务。 4. 数据处理 根据采集的波形数据,计算出被测信号的有效值、均值、峰值、频率。 离散信号的电压平均值及峰值的数学表达式如下所示: 电压有效值:    电压平均值:     电压峰-峰值:    。 五、实验步骤 1.实验准备 (1)按照图6-3连线。 示波器从Ain1输入,在两种连接方式中选择一种,①使用外部信号源,②使用内部信号源1通道。 (2)先打开实验箱电源,电源指示灯“亮”。然后在PC机上运行主界面程序,再从主界面进入“电子测量实验室”,最后选择实验六,软件则自动打开了信号源和示波器的界面。 图6-3 实验连接框图 2.虚拟数字存储示波器面板 虚拟数字存储示波器面板如图6-4所示,它与实际的仪器有相似的面板,有CH1(绿)、CH2(黄)两个通道,面板下部还同时显示出伏/格、峰值(平均值、有效值)、频率、秒/格。 示波器显示波形窗水平通道和垂直通道均为10格(div)。 图6-4 虚拟数字存储示波器面板 3.测量如下各种波形的参数 操作接在Ain1的信号源产生以下信号,用CH1(绿)通道进行测量,调整秒/格使信号波形在屏幕上显示2~5个周期,调整伏/格使信号波形充满半个屏幕到满屏。 (1)正弦波(Aout1,Ain1) 信号源产生一个正弦波如图6-5,用虚拟示波器观察,把显示面板上的峰值和频率填在表6-1中。 图6-5 正弦波 表6-1 输入幅度(峰值V) 输入频率kHz 选择秒/格 读出秒格数 估算周期 估算频率 示波器频率读数 选择 伏/格 读出峰峰值伏格数 估算峰峰值 示波器峰值读数 根据读数计算 有效值 1 1 2 5 4 50 6 100 信号周期=一个周期所占秒格数×秒/格 信号频率=1/信号周期 信号峰峰值=波形垂直伏格数×伏/格 峰值=峰峰值 ×1/2 (2)三角波 图6-6 三角波 波形换成三角波如图6-6,观察波形对称度。 表6-2 输入幅度(峰值V) 输入频率(kHz) 选择 秒/格 格数 格数 1 1 5 5 5 50 8 100 图6-7 方波 (3)方波 信号源产生一个方波,用虚拟示波器观察上升时间和下降时间。 表6-3 输入幅度(峰值V) 输入频率(kHz) 选择秒/格 秒/格读数 (μs) 秒/格读数 (μs) 5 100 5 200 5 500 图6-8 调幅波 (4)调幅波 用Q9线把Aout1和Ain1连接起来,启动虚拟信号源程序,产生一个调幅波,用示波器测量调幅系数 表6-4 输入幅度(峰值V) 输入频率(kHz) 选择 伏/格 a格数 b格数 m 5 0.5 5 5.0 5 20 4.双踪显示波形的观测 由两台函数信号源分别产生两路电压信号,分别输入给Ain1和Ain2,一个信号幅度为5V,频率为5KHz的正弦波,另一个信号幅度为3V,频率为5KHz的三角波,由虚拟数字存储示波器进行双踪显示,记录选择的伏格和秒格,并画出波形。 注意:实验箱主板上方的S102短路块位置放在左边。 画信号一波形: 画信号二波形: 5.波形存储与回放 在用示波器测量的过程中,随时可以把波形数据保存。方法是点击面板上面的“保存”按钮,就会弹出一个对话框,取一个文件名,再选择路径、文件扩展名之后单击保存就能把波形数据保存在计算机的硬盘里。要把计算机硬盘里存储的波形文件打开,就直接单击面板上面的“打开”按钮(注意此时不能启动采集),就能够实现波形的回放,这时通过调节“伏/格”和“秒/格”能够改变波形的显示。 把实验步骤3中的波形先保存到硬盘,然后再打开,对比它们有无变化。 6.观察李沙育图形 在双踪示波器上选择X-Y显示方式,利用示波器X和Y通道分别输入被测信号和一个已知信号,调节已知信号的频率使屏幕上出现稳定的图形,这些图形称为李沙育图形。 (1)调节电子实验箱输出通道Aout1和Aout2,输出相同正弦波信号,幅度为2V,频率为1KHz,调节示波器,使之工作于X-Y方式,Aout1输入示波器X通道,Aout2输入示波器Y通道,观察李沙育图形,并画出波形。 画信号波形: (2)调节电子实验箱,输出通道Aout1输出幅度为2V,频率为1KHz的锯齿波信号,输出通道Aout2输出幅度为2V,频率为1KHz的正弦波信号,调节示波器,使之工作于X-Y方式,Aout1输入示波器X通道,Aout2输入示波器Y通道,观察李沙育图形,并画出波形。 画信号波形: (3)调节电子实验箱,使两个输出通道Aout1和Aout2输出相同幅度,不同频率比的信号,调节示波器,使之工作于X-Y方式,Aout1输入示波器X通道,Aout2输入示波器Y通道,观察李沙育图形,并分析图形与频率比和相位的关系,加深对示波器扫描显示原理的理解。 六、思考和练习题 1.能否用一个带宽为20MHz的示波器观测重复频率为15MHz的正弦波和方波?为什么? 2.利用示波器测量各种波形参数时,你如何减小其测量误差? 3.观察李沙育图形时,示波器X通道输入锯齿波信号,输出图形与Y通道输入波形有什么关系,为什么。 R、L、C参数测量 一、实验目的 1.熟悉电阻、电感、电容(R、L、C)元件参数测试的原理。 2.掌握本实验系统测量R、C的基本方法。 二、实验要求 1.实验前要求预习关于“阻抗参数的数字化测量”相关内容。 2.基于本实验系统,完成R、C参数的测量,记录测量数据,并对电阻测量进行误差分析。 3.了解R、L、C参数的校准测量原理及方法。 三、实验器材 1. SJ-8002B电子测量实验箱 1台 2.双踪示波器(20MHz模拟或数字示波器) 1台 3.计算机(具有运行windows2000和图形化控件的能力) 1台 4.SJ-7001 RLC参数测量实验板  1块 5.数字电压表(4 1/2位) 1个 6.R、C被测试元件: 各3~5个 四、实验原理 1.R、L、C参数测试原理 图5-1 R、L、C电路原理图 如图5-1中为被测阻抗,为采样电阻(标准电阻)。为幅度频率可调信号源。由图知:  (5-1) 令被测阻抗 (5-2) 则 (5-3) (5-4) 式中为和或和的相位差。 若被测阻抗分别为Rx、Lx、Cx的理想元件(不考虑Lx、Cx的损耗),即   (5-5) (5-6) (5-7) 则有: (5-8) (5-9)   (5-10) 根据式(5-8)、(5-9)、(5-10),即可进行元件参数Rx、Lx、Cx的测量,式中、为同频正弦波的有效值或峰值,为角频率。与相比,表现为幅度和相位的变化(对于纯电阻,无相位变化,对于L、C元件,相差),通过改变采样电阻的大小,即可改变R、L、C参数测量的量程。 2.实验硬件电路图 图5-2是根据上述原理设计的RLC参数测量实验板(SJ-7001)。图中,测试信号(正弦波)由实验箱的第一路信号源(Aout1)产生(也可外接信号源),信号源峰值为1V(典型频率值为1kHz), 经2倍放大后,得到2V峰值。信号源输出的匹配电阻,在更换量程时,与同步的切换,的作用减小电压、的变化范围,增加测量电路工作的稳定性。图中为实现测量校准的标准电阻,通过模拟开关选择被测元件或校准电阻。放大器A1、A2分别取出被测阻抗(或校准电阻)和采样电阻两端的电压,并经过适当放大,得到和,它们分别连接到实验箱的高速采集输入通道Ain1和Ain2,实现信号采集并通过计算得到信号的幅值。根据、放大倍数及式(5-8)~(5-10),得到元件参数Rx、Lx、Cx,即 (5-11) (5-12)   (5-13) 图5-2 R、L、C参数测量原理图(SJ-7001实验板) 3.校准方法 如式(5-11)~(5-13),为得到元件参数Rx、Lx、Cx值,需要根据采集得到的U1、U2幅值及A1、A2放大倍数、信号角频率、采样电阻进行计算。为提高测量精度,消除A1、A2的增益精度和增益漂移的影响,可采用校准测量方法。以电阻测量为例,接入被测电阻Rx后,若U1、U2分别为U1x、U2x(幅值),则由式(5-11)可得: (5-14) 再接入标准电阻,若U1、U2分别为U1s、U2s(幅值),则的测量值为: (5-15) 由(5-14)和(5-15)可得: (5-16) 通过上述两次测量过程,所得的测量结果的公式(5-16)中不含、、,因而可消除、、的影响。 五、实验步骤 1.实验准备 (1)按照图5-3把RLC参数测量实验板(SJ-7001)插入实验箱主板的62芯插座,跳线S602接“no”端。主电路板的短路块S102接到左面,RLC板的短路块接下面(AO1)。 (2)打开实验箱电源,电源指示灯“亮”。在PC机上运行主界面程序,再从主界面进入“电子测量实验室”,选择实验五,软件则自动打开了R、L、C参数测量的界面,如图5-4所示。 (3)用双踪示波器分别监测实验箱信号源输出Aout1和采集输入通道Ain1及Ain2信号(即图5-2中U1、U2输出)之一。 图5-3实验连接框图 2.校准电阻测量 (1)选择实验五,进入RLC参数测量界面,如图5-4。 图5-4 虚拟R、L、C测试仪面板测量300Ω电阻时 (2)在测试程序的主界面上,选择校准(校准方框填黑)和表5-1给出的校准电阻值选择校准电阻。 (3)先选择“电阻”,然后选量程,把增益比值“A1/A2”放在“1”处(默认位置为“1”),“循环”放在“off”处(不循环,即只进行单次测量),“秒/格”、“伏/格”都采用默认设置(即秒/格置“2”,伏/格置“1V”)。 (4)点击“测量”,根据采集得到的波形来更换增益“A1/A2”,使两个通道的幅度接近且波形为不失真正弦。由于是纯电阻测量,两个波形没有相位差。将测量值填入表5-1。 表5-1 校准电阻测试 校准电阻(Ω) 选择电阻 量程 A1/A2 测量值 (读数,Ω) 绝对误差(Ω) 相对误差 300 1K 3K 10K 30K 100K 300K 3.外加电阻测试 (1)选择5个待测电阻,并用数字电压表测量其阻值作为该电阻的实际值,填入表5-1中第一栏和第二栏。 (2)本实验使用实验箱内部DDS信号源Aout1,提供默认频率为1kHz、幅度峰值为2V的激励信号。 (3)接入一个待测电阻,在测试程序的主界面上,先选择“电阻”,然后选量程(用默认设置,30~300Ω),把增益比值“A1/A2”放在“1”处(默认位置为“1”),“循环”放在“off”处(不循环,即只进行单次测量),“秒/格”、“伏/格”都采用默认设置(即秒/格置“2”,伏/格置“1V”)。 (4)点击“测量”,先根据面板的提示“状态”来更换量程,“30~300”(单位为Ω)是最小量程,选好量程后,再根据采集得到的波形来更换增益“A1/A2”,使两个通道的幅度接近且不失真,如果量程已经选择为最小量程仍然提示量程偏大或者量程已经选择为最大量程仍然提示量程偏小,就只能改变增益“A1/A2”了。最后改变“伏/格”和“秒/格”来改变波形的显示,使波形充满屏幕,便于观测。同时,观察示波器上显示的波形,注意由于是纯电阻测量,两个波形没有相位差。将测量值填入表5-1中第三栏。 (5)将上述测量结果记录于表5-2,并用数字电压表测量值作为实际值,计算测量误差。 (6)改换另一个待测电阻,重复(2)~(5)。 (7)通过这种单次测量测出电阻的参数后,可以将“循环”开关置于“on”,来观察该电阻多次测量的稳定性和重复性。 表5-2 外加电阻测试 标称值(Ω) 数字万用表测量值(Ω) 选择电阻 量程 A1/A2 测量值 (读数,Ω) 绝对误差(Ω) 相对误差 4.电阻R的校准测量。 测量中,面板上自动显示出的比值,若被测电阻测量时,记录直接测量值和比值;再选中“校准”,并选择与被测量最接近的校准电阻进行测量,记录测量值和比值,根据式5-16,Rx校准后的值为: (5-17) 测量数据记录于表5-3。 表5-3 电阻的校准测量 标称值(Ω) 数字电压表测量值(Ω) 比值读数X1 直接测量值 (读数,Ω) 校准电阻Rr(Ω) 比值X2 校准电阻测量值Rs(Ω) 校准结果Rx(Ω) 5.电容测量 (1)选择5个待测电容,将标称值填入表5-3中第一栏。由于不易得到电容的实际值(数字电压表测量电容误差较大),因此,电容测量不做误差分析,但需验证测量值(显示值)与理论计算结果(式5-13)一致性。 (2)在测试程序的主界面上,选择要测量的元件为“电容”,然后选量程(用默认设置),把增益“A1/A2”放在“1”处(默认位置为“1”),“循环”放在“off”处,“秒/格”、“伏/格”都采用默认设置(即秒/格置“2”,伏/格置“1V”)。 (3)本实验使用实验箱内部DDS信号源Aout1,默认频率为1kHz、幅度峰值为2V。 (4)点击“测量”,先根据面板的提示“状态”来更换量程,“100u~1u”对应最小量程,选好量程后,再根据采集得到的波形来更换增益“A1/A2”使两个通道的幅度接近且不失真,如果量程已经选择为最小量程仍然提示量程偏大,可降低测试信号频率(如选择频率100Hz);如果量程已经选择为最大量程仍然提示量程偏小,那么可提高测试信号频率(如选择频率10kHz)。最后改变“伏/格”和“秒/格”来改变波形的显示,使波形充满屏幕,便于观测。同时,观察示波器上显示的波形,注意对于电容测量,两个波形相位差为。将测量结果(显示值)填入表5-3中第二栏,并根据公式(5-10)和各测量参数计算理论值,填入表中。 (5)通过这种单次测量测出电容的参数后,可以把“循环”放到“on”处,来观察该电容多次测量的稳定性和重复性。 表5-3 标称值(uF) 选择 量程 增益 角频率 (rad/s) 比值 测量值 (读数,uF) 量程对应采样电阻Rr(Ω) 理论计算值(uF) 表5-4 电容量程和采样电阻对应关系 序号 1 2 3 4 电容量程 100u~ 1u 1u ~0.1u 0.1u~ 0.01u 0.01u ~1000P 采样电阻Rr(Ω) 100 1k 10k 100k 注意:在运行软件前要先打开实验箱的电源。 六、思考和练习题 1. 测量电容与哪些因素有关?测量中应该注意什么? 2. 分析R、L、C测量中误差产生的原因有哪些? 3.本实验仅对理想元件参数的测量,若对含有虚实部的阻抗(含电阻和电抗分量)测量,上述测量方法则不能实现,此时应如何改进测量方案? 4.若需对L、C参数的测量进行校准,应如何进行,写出校准公式,校准公式中是否还含有ω参数? 逻辑分析仪原理及应用 一、实验目的 1. 了解逻辑分析仪的基本工作原理。 2. 掌握虚拟逻辑分析仪的使用。 3. 会用逻辑分析仪进行数字电路的测试分析。 二、实验内容 1. 组合逻辑译码器74138实验。 2. 时序逻辑电路十进制计数器74190及数码显示实验。 3. 用逻辑分析仪分析组合逻辑译码器74138实验。 4. 用逻辑分析仪分析时序逻辑电路十进制计数器74190及数码显示实验。 5. 实验中译码器74138、计数器74190和译码器7447的真值表见附表。 三、实验器材 1. 1.SJ-8002B电子测量实验箱 1台 2.计算机(具有运行windows2000和图形化控件的能力) 1台 3. SJ-7002 CPLD实验板         1块 4 . 短接线若干 四、实验原理 1. 逻辑分析仪原理 逻辑分析仪的组成结构如图9-1所示,它主要包括数据捕获和数据显示两大部分。由于数字系统的测试一般要观察较长时间范围的信号间逻辑关系或较长的数据流才能进行分析,逻辑分析仪一般采用先进行数据捕获即采集并存储数据,然后进行数据显示并观察分析的方式。因此逻辑分析仪内部结构可划分为两大部分:数据捕获及数据显示。数据捕获部分包括信号输入、采样、数据存储、触发产生和时钟电路等。外部被测信号送到信号输入电路,与门限电平进行比较,通过比较器整形为符合逻辑分析仪内部逻辑电平的信号(如TTL电平信号)。采样电路在采样时钟控制下对信号进行采样,采样获得的数据流送到触发产生电路进行触发识别,根据数据捕获方式,在数据流中搜索特定的数据字(触发字),当搜索到符合条件的触发字时,就产生触发信号。数据存储电路在触发信号的作用下进行相应的数据存储控制,而时钟电路可以选择外时钟或内时钟作为系统的工作时钟。数据捕获完成后,由显示控制电路将存储的数据以适当方式(波形或字符列表等)显示出来,以便对捕获的数据进行观察分析。 信号 输入 信号 外时钟 采样 数据 存储 时钟 选择 内时钟 触发 产生 显示 控制 CRT 数据捕获 数据显示 图9-1 逻辑分析仪原理结构 门限电平设定 2.虚拟逻辑分析仪的面板 图9-2 虚拟逻辑分析仪面板 使用说明:时钟选择分为内部时钟(它又有时钟频率选择25K、50K、100K、250K、500K、1M、5M、10M)和外部时钟;显示点数范围为0—1000;水平位移范围为0—100;水平伸缩范围为0—1000(步进为100);触发方式分为:时钟触发、内部触发、外部触发、字触发(如图9-3所示)和手动触发;A0—A23为时序位显示;1—1000为对应时序的值(有二进制、十六进制和十进制)。 操作步骤:(1)选择内/外时钟(2)选择显示点数(3)选择触发方式(每次必需)(4)开始。 注意:1)选择的点数太多,而时钟又比较低时,所需的测量时间会比较长。 2)选择字触发方式,有可能没有满足条件的信号出现,则得不到测量结果。 图9-3 字触发设置面板 图9-4 CPLD实验板原理图 3. SJ-7002 CPLD实验板硬件原理图如图9-4      说明:CPLD实验板提供了8个ON~OFF(K1~K8)开关,作为数字输入;8个LED灯(LED1~LED8)作为输出电平指示;还有3个LED 7段数码管作为输出显示,采用动态扫描方式,L1、L2、L3为位选信号,低有效,A、B……G为7段码,DP为小数点,低有效。 在CPLD内已下载了两个电路,一个是74138电路,一个是计数器74190、译码器7447的电路。 五、实验步骤 1.CPLD逻辑电路实验 (1) 组合逻辑电路74138功能实验。按图9-5连接CPLD板跳线,外加+5V直流电源,对p15、p16、p17连接3个开关K5,K6,K7,三-八译码器74138的输出P18,P20,P21,P22,P77,P80,P79,P81分别连接8个指示灯LED1~LED8, 按表9-1给74LS138输入A,B,C高\低电平,观察译码器的输出LED灯亮灭结果,并填入表9-1。 图9-5 CPLD内三-八译码器74138逻辑及外围连线 表9-1 C B A LED1 LED2 LED3 LED4 LED5 LED6 LED7 LED8 L L L L L H L H L L H H H L L H L H H H L H H H (2) 计数器实验。按图9-6连接CPLD板,外加+5V直流电源,L1(L1、 L2 、L3可以任选一位)接低电平,p5接K2,(可输入高或低电平),观察四位十进制计数器74190输出的一位数码显示数值的变化结果,并填入表9-2。 说明:CPLD板的时钟使用1.000MHz的晶振,经过219 分频后以约2Hz的频率用十进制计数器74190计数,以216 分频后以16Hz的频率作为时钟选择的外部时钟。 使用CPLD板的1.000MHz的晶振时钟,放置CPLD板上的S1短路块位置在右面。 图9-6 CPLD内四位十进制计数器74190与三位数码显示逻辑及外围连线                表9-2 引脚 计数值 L1 P5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 L L L H H L H H 2.CPLD与逻辑分析仪实验 (1) 按如图9-7所示将CPLD板插入主板62芯插座, 用虚拟逻辑分析仪分析三-八译码器的输入输出电平逻辑,观察虚拟逻辑分析仪中对应的输入输出位的逻辑电平,分析其正确性。 使用逻辑分析仪时,选用外时钟,时钟触发,显示点数100~200点。 图9-7 CPLD内三-八译码器74138逻辑及外围连线与实验平台的连接图 注:DO0~DO23即连接到逻辑分析仪的A0~A23输入通道。 (2) 按如图9-8所示将CPLD板插入主板62芯插座,L1(L1、 L2 、L3可以任选一位)接低电平,p5接或高或低电平,用虚拟逻辑分析仪分析十进制计数器的输入输出时序逻辑,观察虚拟逻辑分析仪中对应的输入输出的时序逻辑,并在表9-3中画出时序图。 逻辑分析仪选用外时钟,时钟触发,显示点数200。使用CPLD板的1.000MHz的晶振时钟,放置CPLD板上的S1短路块位置在右面。   图9-8  CPLD内十进制计数器74190与三位数码显示逻辑及外围连线与实验平台的连接图 P5=0 P5=1 A4 A0 A1 A2 A3 表9-3 (3) 选择触发方式字触发,设置触发字A3~A0为0000,重新测试。观察虚拟逻辑分析仪中对应的输入输出的时序逻辑,并在表9-4中画出时序图。比较字触发与时钟触发的区别。 表 9-4 P5=0 P5=1 A4 A0 A1 A2 A3 六、思考和练习 1、采集时钟的选择原则是什么? 2、字触发一定能触发吗? 附表:三-八译码器74138、十进制计数器74190和BCD-十进制译码器7447的真值表。 表9-1 74138真值表 (默认值:GND--A, B, C, G2AN, G2BN VCC--G1) G1 G2* C B A Y0N Y1N Y2N Y3N Y4N Y5N Y6N Y7N X H X X X H H H H H H H H L X X X X H H H H H H H H H L L L L L H H H H H H H H L L L H H L H H H H H H H L L H L H H L H H H H H H L L H H H H H L H H H H H L H L L H H H H L H H H H L H L H H H H H H L H H H L H H L H H H H H H L H H L H H H H H H H H H H L 表9-2 74190真值表 (默认值:GND--A, B, C, D, GN, CLK VCC--LDN, DNUP) Inputs  Outputs CLK GN LDN DNUP D C B A QD QC QB QA MXMN RCON X X L X d c b a d c b a X X X L H L   H L L H H L X L H H   L L L L H L ↑ L H L   Count Up 加计数 L H ↑ L H H   Count Down减计数 L H ↑ H H X         Hold Count L H 表9-3 7447真值表 (默认值:GND--A, B, C, D VCC--LTN, RBIN, BIN)   LTN RBIN D C B A BIN OA OB OC OD OE OF OG RBON 0 H H L L L L H L L L L L L H H 1 H X L L L H H H L L H H H H H 2 H X L L H L H L L H L L H L H 3 H X L L H H H L L L L H H L H 4 H X L H L L H H L L H H L L H 5 H X L H L H H L H L L H L L H 6 H X L H H L H H H L L L L L H 7 H X L H H H H L L L H H H H H 8 H X H L L L H L L L L L L L H 9 H X H L L H H L L L H H L L H 10 H X H L H L H H H H L L H L H 11 H X H L H H H H H L L H H L H 12 H X H H L L H H L H H H L L H 13 H X H H L H H L H H L H L L H 14 H X H H H L H H H H L L L L H 15 H X H H H H H H H H H H H H H BI X X X X X X L H H H H H H H X RBI H L L L L L X H H H H H H H L LT L X X X X X H L L L L L L L H 交流电压测量 一、实验目的 1.了解并掌握电压参数的基本测量原理与方法。 2.了解数据采集卡的原理与使用。 3.熟悉labview的采集程序的编写。 二、实验内容 1.利用数据采集卡采集交流电压信号。 2.编写基于labview的采集程序。 3.对采集结果进行计算与分析。 三、实验器材 1.双踪示波器(20MHz模拟或数字示波器) 1台 2.函数信号发生器(1Hz~1MHz) 1台 3.NI公司数据采集卡PCI 6251 1台 4.计算机(具有运行windows2000和图形化控件的能力) 1台 5.导线、连接线若干 四、实验原理 交流电压测量系统硬件由三部分组成:a.函数信号发生器;b.PCI6251数据采集卡;c.微型计算机(含配套的实验软件),如图1所示。 函 数 信 号 发 生 器 计 算 机 数据采集卡 图1 交流电压测量系统框图 电压信号通过数据采集卡的模拟输入通道进入计算机,PCI6251板卡引脚如图2所示。 图2 PCI6251板卡引脚图 交流电压平均值: 交流电压有效值: 五、实验步骤 1.按照图1所示的方法连线,信号发生器地接数据采集卡67脚,正极接68脚。 2. 打开LabVIWE程序,设置DAQ助手,具体步骤如下: 本程序中,数据采集程序的设计主要通过NI公司出品的强大的工具DAQ助手来实现。DAQ助手快速vi是NI DAQmx提供了一种更简单、更方便、基于配置式的程序设计方式。它也是基于任务的,可自动创建任务和销毁任务,并以配置式的方式快速实现测量任务的创建、编辑和运行,而无须编写任何代码。这在测量的试验、论证、评估阶段使用是非常快速和有效的。 图3 DAQ助手 双击DAQ助手进入设置页面: 图4 DAQ助手设置一 图5 DAQ设置界面二 图6 DAQ设置界面三 图7 DAQ设置界面四 点击OK完成确认。 DAQ助手设置完成后,下面进入LabVIEW编程工作。具体程序框图如下: 图8 采集程序框图 3.打开函数发生器,选择输出频率为10Hz,幅值为2V的正弦波,调整采样频率和采样数,使得程序端接收正确波形,观察电压参数,与理论值比较。 4.调整函数发生器,改变输出波形,观察输出波形以及电压参数的变化。 本文档由香当网(https://www.xiangdang.net)用户上传

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    贡献于2021-01-26

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